Типы архитектур ядер операционных систем

Типы архитектур ядер операционных систем

Монолитное ядро

Все части монолитного ядра работают в одном адресном пространстве. Это такая схема операционной системы, при которой все компоненты её ядра являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путём непосредственного вызова процедур. Монолитное ядро — старейший способ организации операционных систем. Примером систем с монолитным ядром является большинство UNIX-систем.

Достоинства: Скорость работы, упрощённая разработка модулей[1].

Недостатки: Поскольку всё ядро работает в одном адресном пространстве, сбой в одном из компонентов может нарушить работоспособность всей системы.

Примеры: Традиционные ядра UNIX (такие как BSD), Linux; ядро MS-DOS, ядро KolibriOS.

Некоторые старые монолитные ядра, в особенности систем класса UNIX/Linux, требовали перекомпиляции при любом изменении состава оборудования. Большинство современных ядер позволяют во время работы подгружать модули, выполняющие часть функций ядра. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы, называемой монолитным ядром (monolithic kernel), которое представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме.

Модульное ядро

Модульное ядро — современная, усовершенствованная модификация архитектуры монолитных ядер операционных систем.

В отличие от «классических» монолитных ядер, модульные ядра, как правило, не требуют полной перекомпиляции ядра при изменении состава аппаратного обеспечения компьютера. Вместо этого модульные ядра предоставляют тот или иной механизм подгрузки модулей ядра, поддерживающих то или иное аппаратное обеспечение (например,драйверов). При этом подгрузка модулей может быть как динамической (выполняемой «на лету», без перезагрузки ОС, в работающей системе), так и статической (выполняемой при перезагрузке ОС после переконфигурирования системы на загрузку тех или иных модулей).

Микроядро

Микроядро предоставляет только элементарные функции управления процессами и минимальный набор абстракций для работы с оборудованием. Бо́льшая часть работы осуществляется с помощью специальных пользовательских процессов, называемых сервисами. Решающим критерием «микроядерности» является размещение всех или почти всех драйверов и модулей в сервисных процессах, иногда с явной невозможностью загрузки любых модулей расширения в собственно микроядро, а также разработки таких расширений.

 

Достоинства: Устойчивость к сбоям оборудования, ошибкам в компонентах системы. Основное достоинство микроядерной архитектуры — высокая степень модульности ядра операционной системы. Это существенно упрощает добавление в него новых компонентов. В микроядерной операционной системе можно, не прерывая её работы, загружать и выгружать новые драйверы, файловые системы и т. д. Существенно упрощается процесс отладки компонентов ядра, так как новая версия драйвера может загружаться без перезапуска всей операционной системы. Компоненты ядра операционной системы ничем принципиально не отличаются от пользовательских программ, поэтому для их отладки можно применять обычные средства. Микроядерная архитектура повышает надежность системы, поскольку ошибка на уровне непривилегированной программы менее опасна, чем отказ на уровне режима ядра.

Недостатки: Передача данных между процессами требует накладных расходов.

Сервисные процессы (в принятой в семействе UNIX терминологии — «демоны») активно используются в самых различных ОС для задач типа запуска программ по расписанию (UNIX и Windows NT), ведения журналов событий (UNIX и Windows NT), централизованной проверки паролей и хранения пароля текущего интерактивного пользователя в специально ограниченной области памяти (Windows NT). Тем не менее, не следует считать ОС микроядерными только из-за использований такой архитектуры.

Пример: OpenVMS

Экзоядро

Экзоядро — ядро операционной системы, предоставляющее лишь функции для взаимодействия между процессами, безопасного выделения и освобождения ресурсов. Предполагается, что API для прикладных программ будут предоставляться внешними по отношению к ядру библиотеками (откуда и название архитектуры).

Возможность доступа к устройствам на уровне контроллеров позволит эффективней решать некоторые задачи, которые плохо

вписываются в рамки универсальной ОС, например, реализация СУБД будет иметь доступ к диску на уровне секторов диска, а не файлов и кластеров, что положительно скажется на быстродействии.

Наноядро

Наноядро — архитектура ядра операционной системы, в рамках которой крайне упрощённое и минималистичное ядро выполняет лишь одну задачу — обработку аппаратных прерываний, генерируемых устройствами компьютера. После обработки прерываний от аппаратуры наноядро, в свою очередь, посылает информацию о результатах обработки (например, полученные с клавиатуры символы) вышележащему программному обеспечению при помощи того же механизма прерываний.

Примером является KeyKOS — самая первая ОС на наноядре. Первая версия вышла ещё в 1983-м году.

Гибридное ядро

Гибридные ядра — это модифицированные микроядра, позволяющие для ускорения работы запускать «несущественные» части в пространстве ядра. Пример: ядра ОСMicrosoft Windows семейства NT: Windows NT, Windows 2000, Windows XP, Windows Vista, Windows 7.

Загрузчик операционной системы — системное программное обеспечение, обеспечивающее загрузку операционной системы непосредственно после включения компьютера.

Загрузчик операционной системы: обеспечивает необходимые средства для диалога с пользователем компьютера (например, загрузчик позволяет выбрать операционную систему для загрузки); приводит аппаратуру компьютера в состояние, необходимое для старта ядра операционной системы (например, на не-x86 архитектурах перед запуском ядра загрузчик должен правильно настроить виртуальную память); загружает ядро операционной системы в ОЗУ. Загрузка ядра операционной системы не обязательно происходит с жесткого диска. Загрузчик может получать ядро по сети. Ядро может храниться в ПЗУ или загружаться через последовательные интерфейсы (это может пригодиться на ранней стадии отладки создаваемой компьютерной системы); формирует параметры, передаваемые ядру операционной системы (например, ядру Linux передаются параметры, указывающие способ подключения корневой файловой системы); передаёт управление ядру операционной системы.На компьютерах архитектуры IBM PC запуск загрузчика осуществляется программным обеспечением BIOS, записанной в ПЗУ компьютера, после успешного окончания процедуры POST.

Дра́йвер — это компьютерная программа, с помощью которой другая программа (обычно операционная система) получает доступ к аппаратному обеспечению некоторого устройства. В общем случае, для использования любого устройства (как внешнего, так и внутреннего) необходим драйвер. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как видеокарта или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства.

Структура операционной системы MS DOS

Операционная система MS-DOS (да и любая другая операционная система) состоит из нескольких частей.

Загрузчик операционной системы - это небольшая программа, хранящаяся в первом секторе любой системной дискеты (дискеты с записанной на ней операционной системой) или винчестера. Она загружает в память два системных файла io.sys и msdos.sys. Именно загрузчику операционной системы передает управление BIOS при начальном старте машины.

Файлы io.sys и msdos.sys при работе постоянно находятся в памяти компьютера: io.sys осуществляет дополнение базовой системы ввода-вывода в зависимости от потребностей данной версии операционной системы, а msdos.sys реализует стандартные функции данной версии. Помимо этого, msdos.sys загружает в память командный процессор.

Командный процессор (command.com) обслуживает работу системы с пользователем. Он сам выполняет часть команд операционной системы (эти команды называются внутренними), а при вызове внешних команд или выполнении других программ передает им управление, а по окончании их работы снова берет управление на себя и выгружает отработавшую программу из памяти.

Драйверы устройств - это специальные резидентные программы. Их основное назначение - управление работой внешних устройств, расширение возможностей отдельных устройств компьютера (например памяти), подключение дополнительного оборудования (мыши и т.п.) и обеспечение нормальной работы нестандартных устройств.

1. Модель состояний процессов в UNIX SVR4.

Порождение процессов

Порождение процессов в системе UNIX происходит следующим образом. При создании процесса строится образ порожденного процесса, являющийся точной копией образа породившего процесса. Сегмент данных и сегмент стека отца действительно копируются на новое место, образуя сегменты данных и стека сына. Процедурный сегмент копируется только тогда, когда он не является разделяемым. В противном случае сын становится еще одним процессом, разделяющим данный процедурный сегмент.

После выполнения системного вызова fork оба процесса продолжают выполнение с одной и той же точки. Чтобы процесс мог опознать, является ли он отцом или сыном, системный вызов fork возвращает в качестве своего значения в породивший процесс идентификатор порожденного процесса, а в порожденный процесс NULL. Типичное разветвление на языке C записывается так:

if(fork()) { действия отца }

else { действия сына }

Идентификатор сына может быть присвоен переменной, входящей в контекст процесса-отца. Так как контекст процесса наследуется его потомками, то дети могут узнать идентификаторы своих старших братьев, так образом сумма знаний наследуется при порождении и может быть распространена между родственными процессами. Наследуются все характеристики процесса, содержащиеся в контексте. На независимости идентификатора процесса от выполняемой процессом программы построен механизм, позволяющий процессу придти к выполнению другой программы с помощью системного вызова exec.

Таким образом в UNIX порождение нового процесса происходит в два этапа - сначала создается копия процесса-родителя, то есть дублируется дескриптор, контекст и образ процесса. Затем у нового процесса производится замена кодового сегмента на заданный.

Вновь созданному процессу операционная система присваивает целочисленный идентификатор, уникальный за весь период функционирования системы.

Планирование процессов

В системе UNIX System V Release 4 реализована вытесняющая многозадачность, основанная на использовании приоритетов и квантования. Все процессы разбиты на несколько групп, называемых классами приоритетов. Каждая группа имеет свои характеристики планирования процессов.

Созданный процесс наследует характеристики планирования процесса-родителя, которые включают класс приоритета и величину приоритета в этом классе. Процесс остается в данном классе до тех пор, пока не будет выполнен системный вызов, изменяющий его класс.

В UNIX System V Release 4 возможно включение новых классов приоритетов при инсталляции системы. В настоящее время имеется три приоритетных класса: класс реального времени, класс системных процессов и класс процессов разделения времени. В отличие от ранних версий UNIX приоритетность (привилегии) процесса тем выше, чем больше число, выражающее приоритет. На рисунке 5.2 показаны диапазоны изменения приоритетов для разных классов. Значения приоритетов определяются для разных классов по разному.

Процессы системного класса используют стратегию фиксированных приоритетов. Системный класс зарезервирован для процессов ядра. Уровень приоритета процессу назначается ядром и никогда не изменяется. Заметим, что пользовательский процесс, перешедший в системную фазу, не переходит при этом в системный класс приоритетов.

5 Классификация операционных систем: особенности реализации и областей использования на конкретных примерах существующих систем.

Операционная система =это основа программного обеспечения ПК. Она представляет комплекс системных и служебных программных средств, которые обеспечивают взаимодействие пользователя с компьютером и выполнение всех других программ.
С одной стороны, она опирается на базовое программное обеспечение ПК, входящее в его систему BIOS, с другой стороны, она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений. Для того чтобы компьютер мог работать, на его жестком диске должна быть установлена (записана) операционная система. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называется загрузкой операционной системы.

Существуют различные виды классификации ОС по тем или иным признакам, отражающие разные существенные характеристики систем.

По назначению(см.бил№1)

· Системы общего назначения.

· Системы реального времени.

· Прочие специализированные системы.

По характеру взаимодействия с пользователем.

· Пакетные ОС, обрабатывающие заранее подготовленные задания.

· Диалоговые ОС, выполняющие команды пользователя в интерактивном режиме. Красивое слово «интерактивный» означает постоянное взаимодействие системы с пользователем.

· ОС с графическим интерфейсом. В принципе, их также можно отнести к диалоговым системам, однако использование мыши и всего, что с ней связано (меню, кнопки и т.п.) вносит свою специфику.

· Встроенные ОС, не взаимодействующие с пользователем.

По числу пользователей.

· Однопользовательские ОС. Для них характерен полный доступ пользователя к ресурсам системы. Подобные системы приемлемы в основном для изолированных компьютеров, не допускающих доступа к ресурсам данного компьютера по сети или с удаленных терминалов.

· Многопользовательские ОС. Их важной компонентой являются средства защиты данных и процессов каждого пользователя, основанные на понятии владельца ресурса и на точном указании прав доступа, предоставленных каждому пользователю системы.

По аппаратурной основе:

· Однопроцессорные ОС. В данном курсе будут рассматриваться только они.

· Многопроцессорные ОС. В задачи такой системы входит, помимо прочего, эффективное распределение выполняемых заданий по процессорам и организация согласованной работы всех процессоров.

· Сетевые ОС. Они включают возможность доступа к другим компьютерам локальной сети, работы с файловыми и другими серверами.

· Распределенные ОС. Их отличие от сетевых заключается в том, что распределенная система, используя ресурсы локальной сети, представляет их пользователю как единую систему, не разделенную на отдельные машины

В однозадачных системах используются средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователями. Многозадачные ОС используют все средства, которые характерны для однозадачных, и, кроме того, управляют разделением совместно используемых ресурсов: процессор, ОЗУ, файлы и внешние устройства. В зависимости от областей использования многозадачные ОС подразделяются на три типа:

· Системы пакетной обработки (ОС ЕС)

· Системы с разделением времени (Unix, Linux, Windows)

· Системы реального времени (RT11)

Системы пакетной обработки предназначены для решения задач, которые не требуют быстрого получения результатов. Главной целью ОС пакетной обработки является максимальная пропускная способность или решение максимального числа задач в единицу времени.
Эти системы обеспечивают высокую производительность при обработке больших объемов информации, но снижают эффективность работы пользователя в интерактивном режиме. В системах с разделением времени для выполнения каждой задачи выделяется небольшой промежуток времени, и ни одна задача не занимает процессор надолго. Эти системы обладают меньшей пропускной способностью, но обеспечивают высокую эффективность работы пользователя в интерактивном режиме. Системы реального времени применяются для управления технологическим процессом или техническим объектом, например, летательным объектом, станком и т.д. По числу одновременно работающих пользователей на ЭВМ разделяются на:многопол и однопол.. В многопользовательских ОС каждый пользователь настраивает для себя интерфейс пользователя. В таких ОС существуют средства защиты информации каждого пользователя от несанкционированного доступа других пользователей. Многопроцессорные и однопроцессорные операционные системы. Одним из важных свойств ОС является наличие в ней средств поддержки многопроцессорной обработки данных. Такие средства существуют в OS/2, Net Ware, Widows NT.По способу организации вычислительного процесса эти ОС могут быть разделены на асимметричные и симметричные. Одним из важнейших признаков классификации ЭВМ является разделение их на локальные и сетевые. Локальные ОС применяются на автономных ПК или ПК, которые используются в компьютерных сетях в качестве клиента. В состав локальных ОС входит клиентская часть ПО для доступа к удаленным ресурсам и услугам. Сетевые ОС предназначены для управления ресурсами ПК включенных в сеть с целью совместного использования ресурсов. Они представляют мощные средства разграничения доступа к информации, ее целостности и другие возможности использования сетевых ресурсов.

ПРИМЕЧАНИЕ

Виртуальное адресное пространство процесса — это совокупность адресов, которыми может манипулировать программный модуль процесса. Операционная система отображает виртуальное адресное пространство процесса на отведенную процессу физическую память.

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений. Конечно, задача распараллеливания вычислений в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Во-первых, прикладной программист может взять на себя сложную задачу организации параллелизма, выделив в приложении некоторую подпрограмму- диспетчер, которая периодически передает управление той или иной ветви вычислений. При этом программа получается логически весьма запутанной, с многочисленными передачами управления, что существенно затрудняет ее отладку и модификацию.

Во-вторых, решением является создание для одного приложения нескольких процессов для каждой из параллельных работ. Однако использование для создания процессов стандартных средств ОС не позволяет учесть тот факт, что эти процессы решают единую задачу, а значит, имеют много общего между собой — они могут работать с одними и теми же данными, использовать один и тот же кодовый сегмент, наделяться одними и теми же правами доступа к ресурсам вычислительной системы. Так, если в примере с сервером баз данных создавать отдельные процессы для каждого запроса, поступающего из сети, то все процессы будут выполнять один и тот же программный код и выполнять поиск в записях, общих для всех процессов файлов данных. А операционная система при таком подходе будет рассматривать эти процессы наравне со всеми остальными процессами и с помощью универсальных механизмов обеспечивать их изоляцию друг от друга. В данном случае все эти достаточно громоздкие механизмы используются явно не по назначению, выполняя не только бесполезную, но и вредную работу, затрудняющую обмен данными между различными частями приложения. Кроме того, на создание каждого процесса ОС тратит определенные системные ресурсы, которые в данном случае неоправданно дублируются — каждому процессу выделяются собственное виртуальное адресное пространство, физическая память, закрепляются устройства ввода-вывода и т. п.

Из всего вышеизложенного, следует, что в операционной системе наряду с процессами нужен другой механизм распараллеливания вычислений, который учитывал бы тесные связи между отдельными ветвями вычислений одного и того же приложения. Для этих целей современные ОС предлагают механизм многопоточной обработки (multithreading). При этом вводится новая единица работы — поток выполнения, а понятие «процесс» в значительной степени меняет смысл. Понятию «поток» соответствует последовательный переход процессора от одной команды программы к другой. ОС распределяет процессорное время между потоками. Процессу ОС назначает адресное пространство и набор ресурсов, которые совместно используются всеми его потоками.

ПРИМЕЧАНИЕ

Поток управления

1. Поток управления (нить, thread) — это элемент процесса, который может выполняться на центральном процессоре.

2. Процесс начинает свою работу с одного (главного) потока, но может создавать дополнительные.

3. Процесс завершает свое выполнение после завершения работы главного потока (независимо от работы дополнительных потоков).

4. Каждый из дополнительных потоков управления описывается функцией, которую называют потоковой функцией.

5. При создании потока эта функция начинает выполняться (псевдо)параллельно с основной функцией программы.

6. С завершением потоковой функции поток прекращает свою работу

Процесс и потоки

Все потоки процесса разделяют общие:

· адресное пространство;

· таблицу открытых файлов;

· глобальные и статические переменные;

· другие ресурсы процесса.
Каждый поток имеет отдельные:

· стек;

· точку выполнения;

· значения локальных переменных.

 

Основные операции над потоками

● Создание потока
– запуск потоковой функции;
– передача аргументов в потоковую функцию.

● Завершение работы потока
– при завершении потоковой функции;
– по инициативе завершаемого потока;
– по инициативе другого потока.

● Получение возвращенного потоком значения

 

Способы реализации потоков

1. В ядре системы (ОС Windows)
– преимущества:

· планировщик процессора знает о наличии потоков и может учитывать их при планировании процессорного времени;

· блокировка отдельного потока не оказывает влияния на другие потоки процесса.
– недостатки:

· на переход в режим ядра и обратно при выполнении операций над потоками требуется время;

· введение потоков нередко значительно снижает стабильность ядра ОС.
2. На уровне пользовательских функций (большинство версий Unix)
– преимущества:

· операции над потоками выполняются быстрее;

· не требуют модификации ядра ОС, оно остается простым и, как следствие, стабильным.
– недостатки:

· блокировка одного потока может заблокировать весь процесс, т.к. планировщик процессора не знает о наличии в нем других потоков;

· время процессора делится поровну между процессами без учета количества потоков в них.

Назначение потоков Основной причиной является выполнение большинством приложений существенного числа действий, некоторые из них могут время от времени блокироваться. Схему программы можно существенно упростить, если разбить приложение на несколько последовательных потоков, запущенных в квазипараллельном режиме.Возможность совместного использования параллельными объектами адресного пространства и всех содержащихся в нем данных. Для определенных приложений эта возможность является существенной, и в таких случаях схема параллельных процессов (с разными адресными пространствами) не подходит.Еще одним аргументом в пользу потоков является легкость их создания и уничтожения (поскольку с потоком не связаны никакие ресурсы). В большинстве систем на создание потока уходит примерно в 100 раз меньше времени, чем на создание процесса. Это свойство особенно полезно, если необходимо динамическое и быстрое изменение числа потоков.Третьим аргументом является производительность. Концепция потоков не дает увеличения производительности, если все они ограничены возможностями процессора. Но когда имеется одновременная потребность в выполнении большого объема вычислений и операций ввода-вывода, наличие потоков позволяет совмещать эти виды деятельности во времени, тем самым увеличивая общую скорость работы приложения.И наконец, концепция потоков полезна в системах с несколькими процессорами, где возможен настоящий параллелизм.

Выводы

История ОС насчитывает примерно полвека. Она во многом определялась и определяется развитием элементной базы и вычислительной аппаратуры.

Первые цифровые вычислительные машины, появившиеся в начале 40-х годов, работали без операционных систем, все задачи организации вычислительного процесса решались вручную каждым программистом с пульта управления.

Прообразом современных операционных систем явились мониторные системы середины 50-х, которые автоматизировали действия оператора по выполнению пакета заданий.

В 1965-1975 годах переход к интегральным микросхемам открыл путь к появлению следующего поколения компьютеров, ярким представителем которых является IBM/360. В этот период были реализованы практически все основные концепции, присущие современным ОС: мультипрограммирование, мультипроцессирование, многотерминальный режим, виртуальная память, файловые системы, разграничение доступа и сетевая работа.

Реализация мультипрограммирования потребовала внесения очень важных изменений в аппаратуру компьютера. В процессорах появился привилегированный и пользовательский режимы работы, специальные регистры для быстрого переключения с одной задачи на другую, средства защиты областей памяти, а также развитая система прерываний.

В конце 60-х были начаты работы по созданию глобальной сети ARPANET, явившейся отправной точкой для Интернета, — глобальной общедоступной сети, которая стала для многих сетевых ОС испытательным полигоном, позволившим проверить в реальных условиях возможности их взаимодействия, степень масштабируемости, способность работы при экстремальной нагрузке.

К середине 70-х годов широкое распространение получили мини-компьютеры. Архитектура мини-компьютеров была значительно упрощена по сравнению с мэйнфреймами, что нашло отражение и в их ОС. Экономичность и доступность мини-компьютеров послужила мощным стимулом для создания локальных сетей. Предприятие, которое теперь могло позволить себе иметь несколько мини-компьютеров, нуждалось в организации совместного использования данных и дорогого периферийного оборудования. Первые локальные сети строились с помощью нестандартного коммуникационного оборудования и нестандартного программного обеспечения.

С середины 70-х годов началось массовое использование UNIX, уникальной для того времени ОС, которая сравнительно легко переносилась на различные типы компьютеров. Хотя ОС UNIX была первоначально разработана для мини-компьютеров, ее гибкость, элегантность, мощные функциональные возможности и открытость позволили ей занять прочные позиции во всех классах компьютеров.

В конце 70-х годов был создан рабочий вариант стека протоколов TCP/IP. В 1983 году стек протоколов TCP/IP был стандартизован. Независимость от производителей, гибкость и эффективность, доказанные успешной работой в Интернете, сделали протоколы TCP/IP не только главным транспортным механизмом Интернета, но и основным стеком большинства сетевых ОС.

Начало 80-х годов связано со знаменательным для истории операционных систем событием — появлением персональных компьютеров, которые послужили мощным катализатором для бурного роста локальных сетей, создав для этого отличную материальную основу в виде десятков и сотен компьютеров, расположенных в пределах одного здания. В результате поддержка сетевых функций стала для ОС персональных компьютеров необходимым условием.

В 80-е годы были приняты основные стандарты на коммуникационные технологии для локальных сетей: в 1980 году — Ethernet, в 1985 — Token Ring, в конце 80-х — FDDI. Это позволило обеспечить совместимость сетевых ОС на нижних уровнях, а также стандартизовать интерфейс ОС с драйверами сетевых адаптеров.

К началу 90-х практически все ОС стали сетевыми, способными поддерживать работу с разнородными клиентами и серверами. Появились специализированные сетевые ОС, предназначенные исключительно для выполнения коммуникационных задач, например система IOS компании Cisco Systems, работающая в маршрутизаторах.

Особое внимание в течение всего последнего десятилетия уделялось корпоративным сетевым ОС, для которых характерны высокая степень масштабируемости, поддержка сетевой работы, развитые средства обеспечения безопасности, способность работать в гетерогенной среде, наличие средств централизованного администрирования и управления.

СПУЛИНГ (spooling). Способ применения буферной памяти при организации ввода и вывода данных в компьютерах -с многозадачной операционной системой. При С. все выходные данные задачи временно запоминаются в буферном файле, а после ее окончания выводятся независимо от других задач. Аналогично все входные данные задачи загружаются в буферный файл до ее выполнения. Причем, эти действия совмещаются с выполнением процессором команд той же или другой задачи. Применение С. особенно эффективно в случае использования принтеров, графопостроителей, устройств ввода с перфокарт и других медленных усфойств.

Swapping — один из механизмов виртуальной памяти, при котором отдельные фрагменты памяти (обычно неактивные) перемещаются из ОЗУ на жёсткий диск, освобождая ОЗУ для загрузки других фрагментов памяти. Такими фрагментами в современных ЭВМ являются страницы памяти.

Временно выгруженные из памяти страницы могут сохраняться на внешних запоминающих устройствах как в файле, так и в специальном разделе на жёстком диске (partition), называемые соответственно swap-файл и swap-раздел. В случае откачки страниц, соответствующих содержимому какого-либо файла (например, memory-mapped files), они могут удаляться. При запросе такой страницы она может быть считана из оригинального файла.

В случае расположения данных виртуальной памяти на внешних запоминающих устройствах (например, жестких дисках), как чаще всего и происходит — доступ к памяти замедляется (по сравнению с оперативными запоминающими устройствами).

С большой вероятностью, использование свопинга на SSD накопителях (имеют ограниченное количество циклов перезаписи) уменьшает срок их службы. Windows, unix,linux.

10 Понятие потока. Потоки на пользовательском уровне и на уровне ядра. Комбинированные подходы.

Поток – независимый компонент, счётчик в рамках процессора, независимо планируемый контекст выполнения, разделяемый единое адресное пространство с другими адресными потоками

Потоки на уровне ядра

В программе, работа которой полностью основана на потоках, работающих на уровне ядра, все действия по управлению потоками выполняются ядром. В области приложений отсутствует код, предназначенный для управления потоками. Вместо него используется интерфейс прикладного программирования (application programming interface — API) средств ядра, управляющих потоками. Примерами такого подхода являются операционные системы OS/2, Linux и W2K.
Любое приложение при этом можно запрограммировать как многопоточное; все потоки приложения поддерживаются в рамках единого процесса. Ядро поддерживает информацию контекста процесса как единого целого, а также контекстов каждого отдельного потока процесса. Планирование выполняется ядром исходя из состояния потоков. С помощью такого подхода удается избавиться от двух упомянутых ранее основных недостатков потоков пользовательского уровня. Во-первых, ядро может одновременно осуществлять планирование работы нескольких потоков одного и того же процесса на нескольких процессорах. Во-вторых, при блокировке одного из потоков процесса ядро может выбрать для выполнения другой поток этого же процесса. Еще одним преимуществом такого подхода является то, что сами процедуры ядра могут быть многопоточными.
Основным недостатком подхода с использованием потоков на уровне ядра по сравнению с использованием потоков на пользовательском уровне является то, что для передачи управления от одного потока другому в рамках одного и того же процесса приходится переключаться в режим ядра.

Комбинированные подходы

В некоторых операционных системах применяется комбинирование потоков обоих видов. Ярким примером такого подхода может служить операционная система Solaris. В комбинированных системах создание потоков выполняется в пользовательском пространстве, там же, где и код планирования и синхронизации потоков в приложениях. Несколько потоков на пользовательском уровне, входящих в состав приложения, отображаются в такое же или меньшее число потоков на уровне ядра. Программист может изменять число потоков на уровне ядра, подбирая его таким, которое позволяет достичь наилучших результатов. При комбинированном подходе несколько потоков одного и того же приложения могут выполняться одновременно на нескольких процессорах, а блокирующие системные вызовы не приводят к блокировке всего процесса. При надлежащей реализации такой подход будет сочетать в себе преимущества подходов, в которых применяются только потоки на пользовательском уровне или только потоки на уровне ядра, сводя недостатки каждого из этих подходов к минимуму.

Монолитное ядро, или, как его иногда называют в противоположность микроядру, макроядро есть тип ядра, которое включает в себя весь набор средств для взаимодействия прикладных программ с аппаратным окружением и друг с другом.

Классическое Монолитное ядро состоит из единственного загрузочного модуля, в котором реализованы все функции, возлагаемые на систему, и в частности, все сервисы, которые ядро предоставляет прикладным программам.

Принципиальной особенностью монолитного ядра является размещение всего его кода, включающего весь широкий набор его функций и данных в одном адресном пространстве и исполнение кода ядра в привилегированном режиме при невозможности его вытеснения пользовательскими процессами.

Такой способ организации определяет его плюсы:

· взаимодействие компонентов ОС, так как они находятся в одном контексте может быть реализовано весьма просто (сравнимо с вызовом функций в обычном приложении);

· все или большинство случаев взаимодействия прикладных программ не требует переключения между процессами, и как следствие «тяжеловесность» процессов некритична, и может быть весьма большой, что обеспечивает хорошую защищённость;

· монолитное ядро теоретически имеет минимальные накладные расходы, необходимые для организации взаимодействия между собой различных компонентов операционной системы, поскольку отсутствует необходимость переключения контекстов.

В то же время у данной архитектуры есть и минусы:

· неправильное функционирование одного из компонентов может нанести ущерб всей системе, что — опять-таки теоретически — делает систему с монолитным ядром менее надёжной, чем микроядерная система и требует большей тщательности в разработке компонентов ОС;

· большой объём кода, исполняемого в невытесняемом режиме негативно влияет время отклика приложений на внешние события, что нежелательно или недопустимо в системах работающих в реальном времени;